中國(guó)粉體網(wǎng)訊 動(dòng)力電池的總體發(fā)展方向,，應(yīng)該是在滿(mǎn)足安全性、循環(huán)壽命等指標(biāo)的情況下,，大幅提高能量密度,，而能量密度的提高也會(huì)帶來(lái)成本的大幅度降低。那么,，如何實(shí)現(xiàn)電池比能量的提高呢,？
常規(guī)的動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展路線認(rèn)為,，近期（2020年）的目標(biāo)是高鎳三元正極、硅碳負(fù)極實(shí)現(xiàn)300瓦時(shí)/公斤,；中期（2025年）的目標(biāo)是基于富鋰錳基和高容量硅/碳負(fù)極,，實(shí)現(xiàn)單體400瓦時(shí)/公斤；遠(yuǎn)期是開(kāi)發(fā)鋰硫,、鋰空氣電池,，實(shí)現(xiàn)單體比能量500瓦時(shí)/公斤。
這個(gè)路線是否可行,？
從目前的技術(shù)條件來(lái)看，除安全性還不太確定外,，在2020年電池比能量達(dá)到300瓦時(shí)/公斤是沒(méi)有什么技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的,。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，400瓦時(shí)/公斤的電池要求正極容量達(dá)到250毫安時(shí)/克,，負(fù)極容量達(dá)到800毫安時(shí)/克,，這個(gè)要求也都有明確相應(yīng)的材料體系對(duì)應(yīng)，比如富鋰錳基可以達(dá)到250,、280甚至300毫安時(shí)/克的容量,，硅碳達(dá)到800也沒(méi)問(wèn)題。所以,，普遍認(rèn)為的近,、中期技術(shù)路線總體上是可行的。
遠(yuǎn)期目標(biāo)中的鋰硫,、鋰空氣電池理論上達(dá)到比能量指標(biāo)沒(méi)有任何問(wèn)題,，比如鋰硫電池的理論比能量為2600瓦時(shí)/公斤，鋰空氣電池在不考慮空氣質(zhì)量的情況下,，理論比能量可以達(dá)到11000瓦時(shí)/公斤,。即便只實(shí)現(xiàn)其理論能量密度的20%，也可以達(dá)到500-600瓦時(shí)/公斤,，這就是為什么大家都將鋰硫,、鋰空氣作為未來(lái)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)的原因。
但是,，有專(zhuān)家認(rèn)為鋰空氣電池的實(shí)用化希望非常渺茫,。其原因主要有三個(gè)。第一,，鋰空氣電池要用空氣中的氧,，而空氣中含有水，鋰會(huì)與水反應(yīng),，既要透氧又要防水,，這是一個(gè)很難解決的問(wèn)題,。第二，是氧的催化還原問(wèn)題,。氧的反應(yīng)速度非常慢,，要提高氧的反應(yīng)活性必須采用高效的催化劑，現(xiàn)在的催化劑都是貴金屬,，因此,，必須開(kāi)發(fā)高效廉價(jià)的催化劑。第三,，是金屬鋰負(fù)極的可充性問(wèn)題,。到現(xiàn)在為止，國(guó)際上一直沒(méi)有很大的進(jìn)展,，短時(shí)間想解決這個(gè)的問(wèn)題非常難,。
再者，鋰硫電池也有三個(gè)難題待解決,，第一是硫電極循環(huán)性能差,，第二是鋰負(fù)極的可充性，也是難以短時(shí)間解決的問(wèn)題,。第三是鋰硫電池的體積能量密度比較低,，因此在車(chē)用動(dòng)力領(lǐng)域，鋰硫電池的實(shí)用化希望很小,。
修正后的遠(yuǎn)期目標(biāo)
遠(yuǎn)期目標(biāo)可以革新型鋰離子電池為重點(diǎn),，即發(fā)展基于高容量富鋰正極和硅碳負(fù)極的固態(tài)電池。由此來(lái)看,，未來(lái)動(dòng)力電池的發(fā)展涉及到哪些關(guān)鍵材料呢,？
第一個(gè)關(guān)鍵材料是硅碳復(fù)合負(fù)極。超過(guò)250瓦時(shí)/公斤,，電池就要用到硅碳負(fù)極,，硅碳負(fù)極是未來(lái)動(dòng)力電池發(fā)展的關(guān)鍵材料。但是硅的問(wèn)題在于鋰化過(guò)程中,，它的體積膨脹非常大,，會(huì)導(dǎo)致材料顆粒的粉化、電極脫粉,。目前可通過(guò)將硅納米化和采用表面鍵合粘結(jié)劑較好地解決這兩個(gè)問(wèn)題,。
第二個(gè)關(guān)鍵材料是富鋰錳基正極。富鋰錳基具有250毫安時(shí)/克以上的可實(shí)現(xiàn)容量,，是鋰離子電池突破400瓦時(shí)/公斤,、甚至500瓦時(shí)/公斤的技術(shù)關(guān)鍵。富鋰錳基有高容量的特征，但問(wèn)題是電壓衰減非常嚴(yán)重,，隨著電壓越來(lái)越低,，電池的能量密度也越來(lái)越低。另外,，它的離子擴(kuò)散系數(shù)和電子電導(dǎo)也非常低,，倍率性能也比較差。目前改善富鋰錳基正極的主要工作包括：組成優(yōu)化設(shè)計(jì),，制備工藝優(yōu)化,，表面改性等。
另一個(gè)材料是功能電解液,。對(duì)于以后的高鎳三元,、富鋰錳基正極，功能電解液的作用更大,。高鎳三元隨著鎳含量的增加其穩(wěn)定性變差,，另外就是它對(duì)電解液的氧化分解具有很強(qiáng)的催化作用。目前的解決思路是采用含CN-集團(tuán)的添加劑來(lái)絡(luò)合表面偏析的鎳離子,。此外，對(duì)于硅基負(fù)極而言,，添加劑開(kāi)發(fā)的主要方向是高韌性成膜劑,。添加添加劑后，電池在效率,、循環(huán)性等方面均可得到大幅度改善,。
下一代動(dòng)力電池的技術(shù)問(wèn)題
第一，解決安全性問(wèn)題,。300瓦時(shí)/公斤的電池2020年能不能真正裝車(chē),？實(shí)際上是取決于安全性問(wèn)題。解決安全性問(wèn)題,，要從材料,、單體、系統(tǒng)全方位地開(kāi)展工作,。材料是基礎(chǔ),，什么材料就決定了什么樣的安全性；單體是關(guān)鍵,，好和壞是由單體決定的,；系統(tǒng)是保障，鋰離子單體發(fā)生了熱失控也不至于把其他的都引發(fā),。
解決安全性問(wèn)題的第一種思路是,，發(fā)展電池自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)。簡(jiǎn)單的辦法是將PTC材料用于電池中,，實(shí)現(xiàn)溫度敏感,。第二個(gè)思路是,，發(fā)展全固態(tài)電池。實(shí)際上從提高體積能量密度來(lái)講,，全固態(tài)電池也非常有前景,。全固態(tài)和液體比較，主要優(yōu)勢(shì)是高安全性,，另一個(gè)特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)串聯(lián),，有利于模塊和系統(tǒng)能量密度的提升。針對(duì)其存在的問(wèn)題,，固體電池整個(gè)研發(fā)的重點(diǎn)之一應(yīng)是固體電解質(zhì)的選擇,。
第二，高載量電極的設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)題,。隨著以后能量密度的提高,，這個(gè)問(wèn)題會(huì)更突出。隨著能量密度提高,，例如一個(gè)單體100瓦時(shí)/公斤,，現(xiàn)在變成300瓦時(shí)/公斤，意味著單位重量的材料所承擔(dān)的電流同步提高,，因此對(duì)于今后的高能量密度電池,，保持功率性能非常難。既要保證高能量密度,、又要保證功率性能,，需要設(shè)計(jì)一種梯度孔隙分布的電極。
全固態(tài)電池材料與技術(shù)
面向2020年及以后的動(dòng)力電池能量密度發(fā)展要求,，通過(guò)采用容量約500毫安時(shí)/克的納米硅/碳復(fù)合負(fù)極材料和高容量鎳基層狀氧化物或富鋰錳基正極材料,，鋰離子電池的能量密度預(yù)計(jì)可以達(dá)到300～350 瓦時(shí)/公斤。但是要實(shí)現(xiàn)能量密度大于500瓦時(shí)/公斤的目標(biāo),，含可燃液體電解質(zhì)的電池體系就無(wú)能為力,，需要盡快研發(fā)固態(tài)電池體系。固態(tài)鋰電池有望成為下一代車(chē)用動(dòng)力電池主導(dǎo)技術(shù)路線,。
固態(tài)鋰電池的關(guān)鍵是固態(tài)電解質(zhì)材料,，現(xiàn)有的無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)和高分子聚合物電解質(zhì)材料，沒(méi)有一種既有高離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度又有良好的加工性能,，故此需要開(kāi)發(fā)出聚合物/陶瓷復(fù)合材料,，以滿(mǎn)足固態(tài)電池的所有要求。
全固態(tài)鋰電池的技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較明顯,，但是也存在一些問(wèn)題,。第一個(gè)問(wèn)題是固態(tài)電解質(zhì)材料的離子電導(dǎo)率偏低。第二個(gè)問(wèn)題就是固/固界面接觸性和穩(wěn)定性差。第三個(gè)問(wèn)題是金屬鋰的可充性問(wèn)題,�,；谶@些問(wèn)題，特別是固態(tài)界面接觸性/穩(wěn)定性和金屬鋰的可充性問(wèn)題,，真正意義上的全固態(tài)金屬鋰電池技術(shù),，現(xiàn)在仍然是不成熟的，還存在技術(shù)不確定性,。目前有突破的,，有性能優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化前景的，主要是固態(tài)鋰離子電池,。
總體上看固態(tài)電池發(fā)展的路徑,，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài),、固液混合到固態(tài),，最后到全固態(tài)。至于負(fù)極,，可能是從石墨負(fù)極,，到硅碳負(fù)極，最后有可能到金屬鋰負(fù)極,，但是目前還存在技術(shù)不確定性,。
參考文章：
陳立泉：動(dòng)力電池該如何布局？
歐陽(yáng)明高：2017年動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)
艾新平：下一代動(dòng)力電池關(guān)鍵材料與技術(shù)
